西安市临潼区旱塬区大口辐射井设计与施工方法

2018-03-26高蕾

山西建筑 2018年6期

高蕾

(西安市临潼区城乡供水管理站，陕西西安 710600)

0 引言

大口辐射井是一种构造简单、取材容易、使用年限较长、容积较大并能调节水量的集水建筑物。在我国的中小城镇和农村供水系统中应用较广泛，尤其适合地下水位埋藏较浅、含水层较薄且不宜打管井的地层取水[1,2]。大口辐射井的成管工艺中，井管材质和井管直径是两个比较突出的问题，较为传统的成井工艺是排水沉井方式，即人工开挖、排水、井管下沉这些步骤循环进行，直至预定深度。但这种方法施工周期长，成井质量差且会持续影响大口辐射井的出水量。目前比较新颖的成井工艺是机械成井方式，即机械成井、下预制混凝土或钢质井管、管外开挖回填砾石料。这种成井工艺大大提高了成井速度，并能改善管外地层的透水性和提高出水量。

西安市临潼区秦陵、铁炉、马额及代王街办均属黄土台塬地区，属于典型的“旱塬区”，其特点是水源缺乏，且部分农田由于处于渠系末端，灌溉时节灌溉水量无法保证，仍采用地下水灌溉。此外，该区域田间配套率低、工程设备老化失修，灌溉水利用系数低，水资源浪费现象严重，且近年来还遭遇重大旱情，来自土门河灌区的地表水仅可满足某些局部区域灌溉需水量的40%～50%。这些现状严重影响了区内农业生产，因而改善这些区域的灌溉水源是当务之急。经调查，这些区域内潜水埋深较浅，比较适合采用大口辐射井来采取浅层地下水，不仅可以经济有效地解决区域内农田的灌溉困难，又符合当地实际。

1 工程概况

工程建设地址位于临潼区中部骊山以北黄土台塬地区，涉及4个街办21个行政村。整个区域东西宽约19 km，南北宽约8 km，面积140 km2，地势东南高西北低呈条带状分布，区内兼有大小不等侵蚀沟，川塬相接，东邻渭南，西接临潼城区，绝对高程400 m～550 m之间，地势比较平坦，该地层表层以黄土为主且土层深厚，垂直节理发育，潜水埋深15 m～30 m，结合当地需水情况及经济技术条件，采用大口辐射井取水方式。工程共新打大口辐射井24眼，由于建设区域气候及水文地质情况相近，故设计和施工工艺基本没有差异。根据勘察，本区适宜采用大口辐射井形式，且辐射管可不必设置过滤材料[3,4]。黄土台塬区井深保持水下深度15 m～20 m，确定井深为50 m。根据GB 50288—99灌溉与排水工程设计规范，工程等别为Ⅴ等，灌溉工程级别和建筑物级别均为5级。

2 大口辐射井设计

以临潼区秦陵街办鱼池村大口辐射井为例，简述其设计。

2.1 结构受力设计

在抽水运用时当水位降深最大时地压力最大。

Pmax=Δh+PT。

其中，Pmax为井管承受最大地压力；Δh为承受最大水跃值；PT为围岩土压力。

围岩土压力可按照四种方式计算，分别是圆形挡土墙、静止土压力、朗肯主动土压力和朗肯被动土压力。经过计算，朗肯被动土压力计算得出的围岩土压力最大，为3 MPa。

在抽水运用时考虑井内产生水跃现象的影响，可按下式计算最大水跃值：

其中，Δh为最大水跃值；a为滤水器结构经验系数；Q为井管出水量；S为井管内水位降深；K为含水层的渗透系数；F为过滤器工作面积。经计算得出Δh=4.25 MPa。

最终得出井管承受最大地压力为7.25 MPa，最大压应力发生在管内壁,其值采用下式计算：

其中，r1和r2分别为井管的外径和内径；σ外为围岩土压力。该值说明井管满足C25钢筋混凝土的抗压强度要求。

2.2 水力设计

本工程采用等效大口井法进行计算，即设想有一个大口井，此井出水量与要求计算大口辐射井出水量相等。采用潜水大口井流量计算公式：

其中，K为渗透系数，取0.25 m/d；H0为潜水含水层厚度，取40 m；S0为井水位降深，取20 m；R0为辐射井影响半径，通过经验公式计算其值为150 m；rd为等效打井半径，经过经验公式计算得出其值为42 m。将这些值代入上式后得出大口辐射井流量为30.8 m3/h。考虑潜水受季节及降水量影响因素，出水量保守取30 m3/h。

3 大口辐射井施工工艺

本工程的大口辐射井外径2 m，内径1.76 m，采用壁厚为0.12 m的钢筋混凝土预制管井壁，每段管长1.0 m，井筒外围用粒径0.5 cm～1.0 cm的滤料填充，填料厚度20 cm。井底呈锅底状铺设两层反滤层，每层厚50 cm，滤料粒径分别为0.5 cm～1.0 cm和1.5 cm～3.0 cm。辐射孔分两层，每层4根，不设反滤层，孔深50 m，孔口前6 m为厚壁钢管护口，其中下层辐射孔高出井底2 m，两层辐射孔的间距为4 m。大口辐射井设计简图见图1。

大口辐射井施工主要有以下工序：

1)钻机定位：钻机定位后必须平整稳固，确保在施工中不发生倾斜、移位，同时需调整钻机垂直度，垂直度允许偏差一般需小于0.5%，钻尖应对准井位中心，其水平位置允许偏差20 mm，将高程引到可靠的位置处，以便于施工和检查，一切就绪后方可钻井。

2)成孔：整个成孔过程采用冲击钻进分层扩孔法，并严格控制塔架垂直度，根据井深、孔深、钻头种类、泵的扬程、地质情况掌握进尺，做好钻孔记录。大口辐射井在施工过程中容易产生由于摆动和土质不均引起的偏孔现象，因此需要安装稳定器及导向装置，并随时检查塔架垂直度，超过偏差允许值时应即时纠偏。冲击钻在冲击钻进过程中自造泥浆，随时填充清水保持井内水位高度。

3)井管安装：采用悬吊法和托盘法进行下管。下管时采用下管器固定预制井壁管，用钢绳吊装送入井底，底板坐落在基础上，用地脚螺栓固定，待下管器脱离后开始下一节井壁管安装，安装时用扶正器对准，之后再垂直吊入上部井筒，坐落在下部井筒上，并用螺栓连接，这样依次循环即完成整个井壁管安装。井壁管高出地面50 cm，在下管过程中要稳拉、慢放、严禁急刹车，下管遇到阻力时不得猛墩。

4)回填砾料：填砾是在井管与含水层孔壁之间，填入大于含水层砂粒直径的砾石材料，造成一个人工过滤层，以增大出水量。砾料的规格，形状和材质，直接影响人工过滤层的透水性和井水中的含砂量，为增加水井出水量延长水井使用寿命，必须合理选择砾料[5]。根据试验计算及规范，本工程滤料用泾河产粒径0.5 cm～1.0 cm的砂或圆形卵石滤料进行回填，填料厚度20 cm。滤料选用磨圆度好的卵石或砂料为宜，滤料质地坚硬、不含化学成分，且不得含土过多或含有其他杂质。

5)洗井：洗井是成井工艺中的关键，只有选择科学合理的洗井方法，才能保证含水层出水畅通。目前洗井的方法主要有活塞冲洗、抽水洗井、注水洗井等，本工程采用抽水洗井法，在井管安装完毕后，将潜水泵用铅丝悬吊放入井底，抽出泥浆，排空后将水泵停止，待静水位恢复后，再重复上述步骤，如此反复2次～3次。但需要注意的是，水泵扬水性能必须能满足洗井后井的正常抽水要求，在洗井过程中，还应防止堵水，应一边下放潜水泵一边抽水，直到将泥皮和杂质清除干净为止。

6)辐射孔：水平辐射孔可以将含水层中的地下水汇集到大口井中，其层次和根数以含水层厚度为原则布设，其长度则以技术能力和规范要求为限制原则，越长越好。根据钻井冲出实际原始地层的样本和孔内物探的试验结果，确定地层含水层位置，以及辐射孔位置。

水平辐射孔施工工艺流程为:搭建平台→吊水平钻机在平台上→水平钻机对准孔位→打水平管→洗井[6]。根据水源地含水层的特点，施工设备选用具有扭力、推力、拉力和振冲力的全液压水平钻机，在高频冲击的作用下，含水层中小于滤水管滤水孔直径的细颗粒物在含水层的一定水头和滤水管的振动下随水排入大口井中，从而减小滤水管钻进阻力，使水平辐射孔向前推进。

本工程由最底层搭设工作平台，采用水平钻钻进，每层均匀成孔4根～6根，每根长30 m～40 m，孔径10 cm，孔口护管采用钢管长度2 m，辐射孔施工完毕后，清理工作面进行抽水试验。

7)潜水泵安装：水泵安装要注意按设计要求进行：注意各管件之间的连接要紧固；吸水管底部要达到设计位置；注意水泵的固定；要进行试抽水，检查吸水管的设计深度与实际有无太大偏差，如有吸空现象要及时寻求解决办法，并检查各方面的连接是否紧密、牢固。

在大口辐射井的地下钻孔施工中，为了确保高效进尺并保持稳定钻进不坍孔，还需要注意保持以下几点：a.保持井内的静水压力水头在1.5 m以上，即高于地下水位，因此施工中需要不断补水，以保证该条件。b.钻头旋转速度要适中，现场试验表明，钻头旋转速度保持在10 r/min～20 r/min较为合适，如果速度过快，会发生井壁冲刷，发生坍孔。c.钻头的钻进速度不能过快，试验表明钻进速度约为1 m/h时，孔壁泥皮较容易形成，没有泥皮的存在将会造成坍孔。